1. 技术定义与核心功能

NVLink 是 NVIDIA 专为高性能计算（HPC）和 AI 设计的高速互联技术，旨在突破传统 PCIe 接口的带宽限制，实现 GPU 与 GPU、GPU 与 CPU 之间的高效通信。其核心优势包括：
• 高带宽：第四代 NVLink 的单向带宽达 900 GB/s，是 PCIe 5.0 的 7 倍以上。
• 低延迟与高能效：每传输 1 字节仅消耗 1.3 皮焦，能效是 PCIe 5.0 的 5 倍。
• 扩展性：支持多设备互联，如通过 NVSwitch 实现大规模 GPU 集群的全互联。

2. 技术架构与演进

NVLink 的架构分为三层，逐层优化数据传输：
• 物理层：采用高频信号传输技术，点对点直连减少干扰。
• 数据链路层：通过纠错机制保障可靠性，如 NVLink 2.0 引入缓存一致性，实现 CPU 与 GPU 的硬件级数据同步。
• 传输层：流量控制与分组路由，支持大规模并行计算。

版本迭代：
• NVLink 1.0（2016）：160 Gbps 总带宽，用于 Tesla P100。
• NVLink 2.0（2018）：300 Gbps 带宽，支持 IBM Power9 CPU 直连。
• NVLink 4.0/5.0（2023 后）：单 GPU 18 条链路，总带宽达 1.8 TB/s（如 H100、GB200 NVL72）。

3. 应用场景

NVLink 的典型应用覆盖以下领域：
• 超级计算：如美国能源部的 Summit 和 Sierra 超算，通过 NVLink 连接 POWER9 CPU 与 Volta GPU。
• AI 与深度学习：多 GPU 协同训练大模型时，高速同步梯度与参数（如千亿参数模型需 800 GB/s 通信量）。
• 云计算与数据中心：优化 GPU 与 NIC（网络接口卡）直连，减少 CPU 负载。

4. 硬件实现与扩展方案

• 桥接器与 NVSwitch：
• 桥接器：通过高频 PCB 和精密阻抗控制实现 GPU 间直连，如 H100 的 18 条 NVLink 通道。
• NVSwitch：支持 64 GPU 全互联，例如 DGX 系统集成 8 块 H100 和 4 个 NVSwitch 芯片。
• 封装级互联：NVLink-C2C 技术将 GPU 与 CPU（如 Grace Hopper 超级芯片）封装为单一模块，带宽达 900 GB/s，面积效率提升 90 倍。

5. 未来发展与行业影响

NVLink 持续推动计算密集型任务的性能突破：
• 带宽提升：预计未来版本将进一步突破现有带宽，适配更大规模 AI 模型。
• 异构计算整合：强化 CPU、GPU、DPU 的协同，如 NVIDIA Grace CPU 与 Hopper GPU 的超级芯片设计。
• 生态扩展：覆盖自动驾驶、实时渲染等新兴领域，成为“计算高速公路”的核心基础设施。

总结

NVLink 通过高带宽、低延迟的互联技术，彻底改变了多 GPU 和异构计算的效率瓶颈。从超算到 AI 训练，其演进不仅体现了 NVIDIA 在硬件架构上的创新，也为未来算力需求提供了关键支撑。随着芯片级互联（如 NVLink-C2C）的成熟，NVLink 将继续引领高性能计算与 AI 的底层技术革命。